BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Perkebunan Kelapa Sawit Kelapa

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perkebunan Kelapa Sawit
Kelapa sawit (Elaeis) adalah tumbuhan industri paling penting penghasil
minyak masak di industri maupun bahan bakar (biodiesel). Pengembangan kelapa
sawit di Indonesia dimulai sejak 1970 dan mengalami pertumbuhannya yang
cukup pesat terutama periode 1980- an. Pada tahun 1980 areal kelapa sawit hanya
seluas 294 Ha dan terus meningkat dengan pesat sehingga pada tahun 2009
mencapai 7,32 juta Ha, dengan rincian 47,81 berupa perkebunan besar swasta
(PBS), 43,76% perkebunan rakyat (PR), dan 8, 43% perkebunan besar negara
(PBN). Dengan luas areal tersebut, Indonesia merupakan negara produsen minyak
sawit terbesar di dunia. Pada tahun 2009, produksi minyak sawit Indonesia
mencapai 20,6 juta ton, diikuti Malaysia pada urutan kedua dengan produksi
17,57 juta ton. Sebagian besar hasil produksi minyak sawit di Indonesia mencapai
80% dari total produksi. Negara tujuan utama ekspor kelapa sawit Indonesia
adalah India dengan pangsa pasar sebesar 33%, Cina sebesar 13% dan Belanda
9% dari total ekspor kelapa sawit Indonesia ( Sitepu, 2013).
Tabel.1 Luas Areal Perkebunan Kelapa Sawit
2.549.572
Perkebunan
Besar Negara
(Ha)
687.428
Perkebunan
Besar
Swasta (Ha)
3.357.914
2007
2.752.172
606.248
3.408.416
6.766.836
2008
2.881.898
602.963
3.878.986
7.363.847
2009
3.061.413
630.512
4.181.368
7.873.294
2010*)
3.077.629
637.485
4.321.317
8.430.027
2011**)
3.090.407
643.952
4.465.809
8.036.431
Tahun
Perkebunan
Rakyat (Ha)
2006
*) Angka Sementara **) Angka Estimasi
Sumber : Sitepu, 2013
4
Total Nasional
(Ha)
6.594.914
2.2 Limbah Kelapa Sawit
Limbah adalah suatu bahan yang terbuang atau dibuang dari suatu sumber
hasil aktivitas manusia, maupun proses alam dan tidak atau belum mempunyai
nilai ekonomi. Aktivitas pengolahan pada pabrik kelapa sawit menghasilkan dua
jenis limbah, antara lain limbah padat dan limbah cair. Limbah POME didapatkan
dari tiga sumber yaitu air kondenstat dari proses sterilisasi, sludge dan kotoran,
serta air cucian hidrosiklon. Limbah pada pabrik kelapa sawit terdiri dari limbah
padat, cair dan gas. Limbah cair yang dihasilkan pabrik pengolah kelapa sawit
ialah air kondensat, air cucian pabrik, air hidrocyclone atau claybath. Jumlah air
buangan tergantung pada sistem pengolahan, kapasitas olah dan keadaan peralatan
klarifikasi. Proses produksi minyak kelapa sawit kasar dari tandan buah segar
kelapa sawit terdiri dari beberapa tahapan proses seperti sterilisasi buah,
perontokan, pelumatan, pengepresan buah, purifikasi dan klarifikasi hal ini
dikarekanan buah kelapa sawit terdiri dari beberapa bagian yaitu sabut,
tempurung, dan inti atau kernel. Pengolahan tandan buah segar sampai diperoleh
minyak kelapa sawit kasar (CPO=crude palm oil) dan inti sawit dilaksanakan
melalui proses yang cukup panjang.
Tahapan produksi minyak kelapa sawit secara berurutan terdiri atas
pengangkutan buah ke pabrik, perebusan buah (sterilisasi), pelepasan buah dari
tandan
(stripping),
pelumatan
buah
(digesting),
pengeluaran
minyak
(pengepresan), penyaringan, pemurnian dan penjernihan minyak (klarifikasi), dan
pengolahan biji (Agustine, 2011). Minyak kelapa sawit mentah diturunkan dari
mesocarpus tandan buah segar (TBS). Pemanasan (steam-heat) TBS dilakukan
menggunakan sterilizer horizontal pada tekanan 3 kg/cm3 dan suhu 1400C selama
75-90 menit (Lang, 2007). Setelah dilakukan sterilisasi, TBS dimasukkan ke
dalam rotary drum stripper (thresser) dimana TBS dipisahkan dari sprikelet
(tandan kosong). Tandan buah segar kemudian dilumatkan dalam digester di
bawah kondisi pemanasan uap dengan kisaran suhu 900C. Baling- baling kembar
penekan (twin screw presses) biasanya digunakan untuk mengeluarkan minyak
dari buah yang telah dilumatkan di bawah tekanan tinggi.
5
Proses ekstraksi minyak yang tidak lengkap dapat meningkatkan effluent
chemical oxygen demand (COD). Minyak kelapa sawit mentah secara langsung
dibawa ke tangki pemurni (clarification tank) dan suhu dipertahankan sekitar
900C untuk memperbesar pemisahan minyak. Minyak yang sudah dimurnikan
selanjutnya dilewatkan melalui pemusing (centrifuge) berkecepatan tinggi dan
vakum pengering (vacuum dryer) sebelum penyimpanan. Minyak berserat dan biji
dari pengepresan (press cake) dibawa ke pemisah biji dan serat dengan arus udara
kuat disebabkan oleh kipas penghisap (suction fan). Kemudian, biji dibawa ke nut
cracker dan selanjutnya ke hydrocyclon untuk memisahkan cangkang dari kernel.
Kernel tersebut dikeringkan sampai kelembabannya di bawah 7% untuk
mencegah pertumbuhan kapang sehingga dapat memperpanjang waktu simpan
(Lang, 2007).
2.3 Palm Oil Mill Effluent (POME)
Palm oil mill effluent atau limbah cair pabrik kelapa sawit merupakan
salah satu limbah agroindustri yang paling sering menyebabkan polusi. Limbah
ini memiliki konsentrasi yang tinggi dan berwarna coklat pekat. Limbah cair
kelapa sawit (POME) mengandung berbagai senyawa terlarut, termasuk seratserat pendek, hemiselulosa dan turunannya, protein, asam organik bebas dan
campuran mineral-mineral. Limbah cair kelapa sawit bersuhu tinggi, berwarna
kecoklatan, mengandung padatan terlarut dan tersuspensi berupa koloid dan residu
minyak dengan BOD (biological oxygen demand) dan COD (chemical oxygen
demand) yang tinggi (Zahara, 2014). Selain itu, Limbah cair kelapa sawit
merupakan limbah berwarna kuning dan bersifat asam dengan sifat pencemar
tertinggi, dengan rata-rata 25.000 mg/l Biochemical Oxygen Demand (BOD),
55250 mg/l Chemical Oxygen Demand (COD) dan 19610 mg/l Suspended Solid
(SS) (Zahara, 2014). Limbah cair kelapa sawit memiliki komposisi dan
konsentrasi dari protein, komponen nitrogen, lemak, dan mineral. Lemak adalah
satu dari polutan organik utama yang terdapat dalam limbah cair kelapa sawit.
Karakteristik POME dapat dilihat pada tabel 2.
6
Tabel 2. Karakteristik Palm Oil Effluent (POME) Tanpa Perlakuan
Parameter
pH
Temperatur
BOD 3 hari, 300C
COD
Total Solid
Suspended Solids
Total Volatile Solids
Amonical-Nitrogen
Total Nitrogen
Phosporus
Potassium
Magnesium
Kalsium
Boron
Iron
Manganese
Copper
Zinc
Konsentrasi*
4,7
80-90
25.000
50.000
40.500
18.000
34.000
35
750
18
2.270
615
439
7,6
46,5
2,0
0,89
2,3
*Seluruh parameter dalam mg/L kecuali pH dan temperatur (0C)
Sumber : Lang, 2007
Pengolahan tandan buah segar menghasilkan dua bentuk limbah cair,
yaitu air kondensat dan effluent. Air kondensat biasa digunakan sebagai umpan
boiler untuk mengoperasikan mesin pengolahan kelapa sawit. Efflluent yang
banyak mengandung unsur hara dimanfaatkan sebagai bahan pengganti pupuk
anorganik. Air limbah yang dihasilkan dari proses produksi CPO ini adalah pada
proses pemanasan dan sterilisasi, TBS diolah secara sterilisasi uap dengan tekanan
uap 2,5- 3,0 kg/cm2, suhu 135- 1400 C selama 90- 100 menit. Pertama dihasilkan
air limbah drain (kondensat) dari setiap proses memakai sterilizer di proses ini.
Pada proses ekstraksi berikutnya, CPO diperas dengan memasukkan bahan baku
ke dalam screw press. Pada proses omo, adakalanya air yang mengandung minyak
merembes keluar dari berbagai fasilitas. Pada proses purifikasi CPO ditambahkan
air pemanas
bersuhu 900 C, lalu CPO dimurnikan dengan mengekstrak zat
pengotor di dalam CPO ke sisi lapisan air pemanas. Dari proses ini, kandungan
minyak yang ada di dalam air limbah panas berkisar 1%. Setelah itu, minyak yang
telah dikumpulkan melalui pengutip minyak dikembalikan ke proses pemisahan
7
minyak dan air masih mengandung minyak, karena itu selain dari kandungan
minyak terpisah mengapung pada tangki adjusting, kandungan padatan juga akan
mengendap. Air limbah yang kandungan minyaknya telah dipisahkan dialirkan ke
proses pengolahan air limbah (Studi Kebijakan bersama Indonesia-Jepang, 2013).
Sedangkan, teknik pengolahan limbah cair yang biasanya diterapkan di pabrik
kelapa sawit sebelum dialirkan ke sungai atau direduksi ke kebun kelapa sawit
sebagai land application, ditunjukan pada gambar 1.
Metode
Lumpur Aktif
Air
Limbah
Pemisahan
Minyak dan air
Kolam
Anaerob
Kolam
Oksidasi
Teknik kolam stabil biologi, sistem lagoon
Dialirkan
ke sungai
Land
Application
Sumber : Studi Kebijakan bersama Indonesia- Jepang, 2013
Gambar 1. Alur Pengolahan Limbah Cair Kelapa Sawit yang Umum
A. Pengolahan Metode Kolam Stabil Biologis
Teknik pengolahan yang dipakai pada umumnya adalah pengolahan
memakai metoda kolam stabil biologis, sistem lagoon. Teknik- teknik ini
memakai beberapa kolam dengan luas 1- beberapa hektar, kedalmaan 3-5 meter.
Secara sekilasi, air limbah dengan kadar minyak tinggi dari pabrik PKS diarahkan
mengalir ke kolam anaerob. Bagian dalam kolam anaerob berada pada kondisi
anaerob, fermentasi metan akan terjadi. Sebagai hasilnya, zat organik diuraikan
menjadi gas karbon dan metan, sehingga konsentrasi zat organik di dalam air
limbah turun sampai level tertentu. Setelah itu, mengalirkan air luapan yang
mengandung suspended solid dari kolam oksida ke kolam endap, kemudian
mengendapkan kandungan suspended solid dan akhirnya mengalirkan ke sungai.
Di sebagian pabrik, air luapan kolam oksida diolah pada tangki lumpur aktif, lalu
dialirkan ke sungai. Contoh alur metoda kolam stabil biologis yang aktual
diperlihatkan pada gambar 2.
8
Air Limbah
Cooling
Tower
Kolam
Anaerob
III
Kolam
Adjusting I
Kolom
Seeding
Kolam
Anaerob II
Kolam
anaerob I
Kolam
Anaerob
IV
Kolam
Endap I
Kolam
Adjusting
II
Kolam
Aerob II
Kolam
Endap II
Kolam
Endap
III
Sumber : Studi kebijakan bersama Indonesia-Jepang, 2013
Gambar 2. Contoh Alur Pengolahan Kolam Stabil Biologis yang Aktual
Pencemaran lingkungan akibat limbah cair dapat diatasi degan cara
mengendalikan limbah cair tersebut secara biologis. Pengendalian secara biologis
tersebut dapat dilakukan dengan bakteri anaerob (Agustine, 2011). Limbah cair
industri pengolahan kelapa sawit memiliki potensi sebagai pencemar lingkungan
karena mengandung parameter bermakna yang cukup tinggi. Golongan parameter
yang dapat digunakan sebagai parameter penelitian kualitas air, antara lain: (1)
biological oxygent demand (BOD) yang merupakan kadar senyawa organik yang
dapat dibiodegradasi dalam limbah cair, (2) chemical oxygent demand (COD)
yang merupakan jumlah oksigen yang setara dengan bahan organik yang dapat
dioksidasi secara kimia (Zeeman et al, 2003), (3) total organic carbon (TOC) dan
total oxygent deman (TOD) yang merupakan ukuran untuk kandungan senyawa
organik keseluruhan, (4) padatan tersuspensi dan teruapkan (suspended and
volatile solids), (5) kandungan padatan keseluruhan, (6) pH alkalinitas dan
keasaman, (7) kandungan nitrogen dan fosfor, dan (8) kandungan logam berat.
9
B. Prosedur Pengolohan Limbah Cair
Prosedur pengolahan limbah cair kelapa sawit ini diambil dari PT. Mitra
Ogan, 2015. Proses pengolahan limbah cair kelapa sawit diolah menggunakan
pond. Prosedur pengolahan limbah cair ini meliputi :
Pendinginan
Limbah cair yang telah dikutip minyaknya pada oil trap (fat pit)
mempunyai karakteristik pH 4 – 4,5 ; suhu 60 – 80 oC sebelum limbah dialirkan
ke kolam pengasaman (acidification pond) suhunya diturunkan menjadi 40 – 45
o
C agar bakteri mesophilik dapat berkembang dengan baik. Proses pendinginan ini
dilakukan didalam cooling pond dapat dilihat pada gambar.
Gambar 3. Cooling Pond
Pengasaman
Setelah dari kolam pendingin limbah akan mengalir ke kolam pengasaman
yang lebih berfungsi sebagai proses pra kondisi bagi limbah sebelum masuk ke
kolam anaerobic. Pada kolam ini, limbah akan dirombak menjadi VFA (Volatile
Fatty Acid). Kolam pengasaman dilampirkan dalam bentuk gambar berikut :
10
Gambar 4. Accidification Pond
Resirkulasi
Resirkulasi dilakukan dengan mengalirkan cairan dari kolam anaerobic
yang terakhir ke saluran masuk kolam pengasaman yang bertujuan untuk
menaikkan pH dan membantu pendinginan.
Pembiakan Bakteri
Bakteri yang akan digunakan dalam proses anaerobic pada awalnya
dipelihara dalam suatu tempat yang bertujuan untuk memulai pembiakan bakteri.
Di dalam pembiakan awal perlu ditambahkan nutrisi yang merupakan sumber
energi dalam metabolisme bakteri seperti urea, phosphate dan limbah yang telah
diencerkan. Setelah bakteri menunjukkkan perkembangan dengan indikasi
timbulnya gelembung-gelembung gas (biasanya 2 – 4 hari), bakteri tersebut
dimasukkan ke kolam pembiakan yang sebelumnya telah diisi dengan limbah
matang (telah melalui proses pengasaman dan netralisasi dengan pH > 7) dan
selanjutnya dialirkan ke kolam anaerobic.
Proses Anaerobik
Dari kolam pengasaman limbah akan mengalir ke kolam anaerobic primer.
Karena pH dari kolam pengasaman masih rendah, maka limbah harus dinetralkan
dengan cara mencampurkannya dengan limbah keluaran (pipa outlet) dari kolam
11
anaerobic. Bersamaan dengan ini, bakteri anaerobic yang aktif akan membentuk
asam organic dan CO2. Selanjutnya bakteri metahe (Metanogenic Bacteria) akan
merubah asam organic menjadi methane dan CO2. BOD limbah pada kolam
anaerobic primer masih cukup tinggi maka limbah diproses lebih lanjut pada
kolam anaerobic sekunder. Kolam anaerobic sekunder dikatakan beroperasi
dengan baik jika setiap saat nilai parameter utamanya berada pada tetapan di
bawah ini :
pH
6–8
VFA
< 300 mg/l
Alkalinitas
> 2000 mg/l
BOD limbah setelah keluar dari kolam anaerobic sekunder maksimum 3500 mg/l
dan minimal pH 6.
Proses Anaerobik ini dapat dilihat pada gambar.
Gambar 5. Anaerob Pond
Proses Fakultatif
Proses yang terjadi pada kolam ini adalah proses penon-aktifan bakteri
anaerobic dan prakondisi proses aerobic. Aktivitas ini dapat diketahui dengan
indikasi pada permukaan kolam tidak dijumpai scum dan cairan tampak kehijauhijauan.Proses fakultatif ini dilakukan didalam sedimentasi pond yang terlihat
pada gambar berikut :
12
Gambar 6. Sedimentasi Pond
Proses Aerobik
Proses yang terjadi pada kola aerobic adalah proses aerobic. Pada kolam
ini telah tumbuh ganging dan mikroba heterotrof yang berbentuk flocs. Hal ini
merupakan proses penyediaan oksigen yang dibutuhkan oleh mikroba dalam
kolam. Metode pengadaan oksigen dapat dilakukan secara alami dan atau
menggunakan aerator.
Gambar 7. Anaerob Pond (Sirk)
Masa Tinggal
Dari seluruh rangkaian proses tersebut di atas, masa tinggal limbah selama
proses berlangsung mulai kolam pendingin sampai air dibuang ke badan penerima
membutuhkan waktu masa tinggal selama lebih kurang 120-150 hari.
13
2.3 Kotoran Sapi
Kotoran ternak merupakan bahan baku potensial dalam pembuatan biogas
karena mengandung pati dan ligniselulosa (Dublein et al., 2008). Biasanya,
kotoran ternak dimanfaatkan sebagai pupuk dan sisanya digunakan untuk
memproduksi gas metana menggunakan proses anaerob. Salah satu ternak yang
kotorannya biasa dimanfaatkan sebagai pupuk dan bahan baku biogas adalah sapi.
Kotoran sapi adalah biomassa yang mengandung karbohidrat, protein dan lemak.
Drapcho et al (2008) berpendapat bahwa biomassa yang mengandung karbohidrat
tinggi akan menghasilkan gas metana yang rendah dan CO2 yang tinggi, jika
dibandingkan dengan biomassa yang mengandung protein dan lemak dalam
jumlah yang tinggi. Secara teori, produksi metana yang dihasilkan dari
karbohidrat, protein dan lemak berturut- turut adalah 0,37; 1,0; 0,58 m3 CH4/kg
bahan kering organik. Kotoran sapi mengandung ketiga unsur bahan organik
tersebut sehingga dinilai lebih efektif untuk dikonversi menjadi gas metana
(Drapcho et al, 2008).
Kotoran sapi adalah limbah dari usaha peternakan sapi yang bersifat padat
dan dalam proses pembuangannya sering bercampur dengan urin dan gas, seperti
metana dan amoniak. Kandungan unsur hara dalam kotoran sapi bervariasi
tergantung pada keadaan tingkat produksinya, jenis, jumlah konsumsi pakan, serta
individu ternak sendiri (Abdulgani, 1988). Kandungan unsur hara kotoran sapi,
terdiri dari atas nitrogen (0,29%), P2O5 (0,17%) dan K2O (0,35%) (Agustine,
2011). Kotoran sapi yang tinggi kandungan hara dan energinya berpotensi untuk
dijadikan bahan baku penghasil biogas (Sucipto, 2009).
2.4 Biogas
Biogas merupakan salah satu produk hasil biokonversi dari bahan organik.
Biokonversi adalah sebuah proses yang mampu mengubah bahan organik menjadi
produk lain yang berguna dan memiliki nilai tambah dengan memanfaatkan
proses biologis dari mikroorganisme dan enzim (Sucipto, 2009). Kotoran sapi
yang tinggi kandungan hara dan energinya berpotensi untuk dijadikan bahan baku
penghasil biogas. Biogas adalah campuran berbagai macam gas yang susunannya
14
tergantung pada komposisi bahan baku masukan. Sahidu (1983) dalam laporan
skripsi Sucipto tahun 2009 mengungkapkan bahwa biogas adalah suatu campuran
gas-gas yang dihasilkan dalam suatu proses pengomposan bahan organik oleh
bakteri dalam keadaan tanpa oksigen (proses anaerob). Definisi lain menyebutkan
bahwa biogas adalah campuran beberapa gas yang tergolong bahan bakar hasil
fermentasi dari bahan organik dalam kondisi anaerob dan gas yang dominan
adalah metana (CH4) dan karbondioksida (CO2) (Sucipto, 2009).
Biogas merupakan energi terbarukan yang fleksibel, dapat menghasilkan
panas, dan listrik sebagai pengganti bahan bakar kendaraan. Selain berupa energi
terbarukan, proses perombakan anaerob menghasilkan pupuk berharga dan
mengurangi emisi serta bau yang tak sedap. Biogas bersifat bersih, tidak berasap
hitam seperti kayu bakar dan minyak tanah. Selain itu derajat panasnya lebih
tinggi dari bahan bakar minyak tanah dan kayu bakar serta dapat disimpan untuk
penggunaan yang akan datang (Sucipto, 2009). Produksi biogas didasarkan pada
perombakan anaerob kotoran hewan dan bahan buangan organik lainnya. Selama
perombakan anaerob akan menghasilkan gas metana 54-70 %, karbondioksida 2545 %, hidrogen, nitrogen, dan hidrogen sulfida dalam jumlah yang sedikit
(Sucipto, 2009) seperti yang terlihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Komposisi Biogas
Komponen
%
Metana (CH4)
Karbon Dioksida (CO2)
Nitrogen (N2)
Hidrogen (H2)
Hidrogen Sulfida (H2S)
Oksigen (O2)
55-75
25-45
0-0,3
1-5
0-3
0,1-0,5
Sumber :Sitepu, 2013
2.5 Proses Pembentukan Biogas
Menurut Fauziah (1998) dalam laporan skripsi Agustine (2011) proses
pembentukan biogas dilakukan secara anaerob. Bakteri merombak bahan organik
menjadi biogas dan pupuk organik. Proses pelapukan bahan organik ini dilaukan
15
oleh mikroorganisme dalam proses fermentasi anaerob (Agustine, 2011). Reaksi
pembentukan biogas dapat dilihat pada gambar 4.
Bahan organik + H2O
Mikroorganisme
Anaerob
CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + sludge
Gambar 8. Reaksi Pembentukan Biogas
Proses pembentukan biogas ini memerlukan instalasi khusus yang disebut
digester agar perombakan secara anaerobic dapat berlangsung dengan baik. Dalam
laporan skripsi Agustine (2011), Barnett et al. (1978) menyatakan bahwa terdapat
tiga keuntungan dari instalansi penghasil biogas, yaitu: (1) penggunaan bahan
bakar lebih efisien, (2) menambah nilai pupuk, dan (3) menyehatkan lingkungan.
selain itu, teknologi biogas memiliki beberapa keuntungan, antara lain: (1) sebagai
sumber energi yang aman, (2) stabilisasi limbah, (3) meningkatkan unsur hara,
dan (4) menginaktifkan bakteri patogen (Agustine, 2011).
Proses perombakan bahan organik secara anaerob yang terjadi di dalam
digester, terdiri atas empat tahapan proses yaitu hidrolisis, fermentasi
(asidogenesis), asetogenesis dan metanogenesis.
A. Hidrolisis
Hidrolisis merupakan langkah awal untuk hampir semua proses
penguraian dimana bahan organik akan dipecah menjadi bentuk yang lebih
sederhana sehingga dapat
diurai
oleh
bakteri
pada
proses
fermentasi
(Deublein et al. 2008). Dalam proses hidrolisis, molekul-molekul kompleks
seperti karbohidrat, lemak, dan protein dihidrolisis menjadi gula, asam lemak
dan asam amino oleh enzim ekstraselular dari bakteri fermentatif (Ahmad dkk.,
2011). Pada tahap hidrolisis, bahan organik padat maupun yang mudah larut
berupa molekul besar dihancurkan menjadi molekul kecil agar molekul-molekul
tersebut larut dalam air. Bakteri yang berperan dalam tahap hidrolisis ini adalah
sekelompok bakteri anaerobik. Proses hidrolisis karbohidrat
membutuhkan
waktu beberapa jam, sedangkan hidrolisis pada protein dan lemak memerlukan
waktu beberapa hari.
16
B. Asedogenesis
Pada tahap ini produk yang telah dihidrolisa dikonversikan menjadi
asam lemak volatil (VFA), alkohol, aldehid, keton, amonia, karbondioksida, air
dan hidrogen oleh bakteri pembentuk asam. Asam organik yang terbentuk adalah
asam asetat, asam propionat, asam butirat dan asam valeric. Asam lemak volatile
dengan rantai lebih dari empat-karbon tidak dapat digunakan langsung oleh
metanogen (Lang, 2007). Reaksi asidogenesis dapat di lihat di bawah ini:
C6H12O6
CH3CH2CH2COOH + 2 CO + 2 H2
(glukosa)
(asam butirat)
C6H12O6+ 2 H2
H3CH2COOH
(glukosa)
+ 2 H2O
(asam propionat)
Sumber: Lee, 2011
Gambar 9. Reaksi Asidogenesis
Asidifikasi sangat dipengaruhi oleh suhu sesuai dengan hukum Arrhenius,
namun suhu termofilik yang mengakibatkan kematian sel dan biaya energi yang
lebih tinggi dapat mengakibatkan suhu sub-optimal yang lebih baik (Broughton,
2009).
C. Asetogenesis
Produk yang terbentuk selama asetogenesis disebabkan oleh sejumlah
mikroba yang berbeda, misalnya, Syntrophobacter wolinii dekomposer propionat
dan Wolfei sytrophomonos dekomposer butirat dan pembentuk asam lainnya
adalah Clostridium spp, Peptococcus anerobus, Lactobacillus, dan Actinomyces
(Mahdalena, 2014). Asam lemak volatil dengan empat atau lebih rantai karbon
tidak dapat digunakan secara langsung oleh metanogen. Asam-asam organik ini
dioksidasi terlebih dahulu menjadi asam asetat dan hidrogen oleh bakteri
asetogenik penghasil hidrogen melalui proses yang disebut asetogenesis.
Asetogenesis juga temasuk pada produksi asetat dari hidrogen dan karbon
dioksida oleh asetogen dan homoasetogen. Kadang-kadang proses asidogenesis
dan asetogenesis dikombinasikan sebagai satu tahapan saja. Reaksi asetogenesis
dapat dilihat di bawah ini:
17
CH3CH2COOH
CH3COOH + CO2 + 3 H2
(asam propionat)
(asam asetat)
CH3CH2CH2COOH
2CH3COOH + 2 H2
(asam butirat)
(asam asetat)
Sumber: Lang, 2007
Gambar 10. Reaksi Asetogenesis
Pada tahap asetogenesis, sebagian besar hasil fermentasi asam harus
dioksidasi di bawah kondisi anaerobik menjadi asam asetat, CO2, dan hidrogen
yang akan menjadi substrat bakteri metanogen. Bakteri pembentuk oksidasi ini
adalah bakteri syntrofik atau bakteri asetogen atau mikroba obligat pereduksi
proton. Salah satunya adalah asam propionat akan dioksidasi oleh bakteri
Syntrophobacter wolinii menjadi produk yang digunakan oleh bakteri metanogen
dalam pembentukan gas metana. Saat bakteri asetogen memproduksi asetat,
hidrogen akan ikut terbentuk. Jika terjadi akumulasi pembentukan hidrogen dan
tekanan hidrogen, hal ini akan mengganggu aktivitas bakteri asetogen dan
kehilangan produksi asetat dalam jumlah besar. Oleh karena itu, bakteri asetogen
mempunyai hubungan simbiosis dengan bakteri pembentuk metana yang
menggunakan hidrogen untuk memproduksi metana. Hubungan simbiosis ini
akan mempertahankan konsentrasi hidrogen pada tahap ini tetap rendah, sehingga
bakteri asetogen dapat bertahan (Broughton, 2009 dalam skripsi Mahdalena,
2014).
D. Metanogenesis
Metanogenesis merupakan langkah penting dalam seluruh proses
digestasi anaerobik, karena proses reaksi biokimia yang paling lambat.
Metanogenesis ini sangat dipengaruhi oleh kondisi operasi. Komposisi bahan
baku, laju umpan, temperatur,
dan
pH
adalah
contoh
faktor
mempengaruhi proses pembentukan gas metan. Digester over
18
yang
loading,
perubahan
suhu
atau
masuknya
besar
oksigen dapat mengakibatkan
penghentian produksi metana (Dueblein et al, 2008).
Pada akhirnya gas metana diproduksi dengan dua cara. Pertama adalah
mengkonversikan asetat menjadi karbon dioksida dan metana oleh organisme
asetropik dan cara lainnya adalah dengan mereduksi karbon dioksida
dengan hidrogen oleh organisme hidrogenotropik. Berikut ini adalah reaksi
utama (reaksi metanogenesis) yang terlibat dalam konversi substrat menjadi
metana dapat dilihat pada gambar 6.
CH3COOH
CH4 + CO2 (dekarboksilasi asetat)
4CO2 + H2
CH4 + CO2 (reduksi CO2)
Gambar 11. Reaksi Pembentukan Metana (CH4)
Biogas terbentuk dari perombakan bahan organik kompleks. Bahan ini
akan mengalami perombakan secara anaerob melalui empat tahap. Tahapan
berikut dapat dilihat secara lengkap pada gambar 12.
Sumber : (Grady et al., 1999) dalam Agustine, 2011
Gambar 12. Skema Proses Perombakan secara Anaerob
19
Metanogen yang dominan pada proses ini adalah Methanobacterium,
Methanothermobacter, Methanobrevibacter, Methanosarcina dan Methanosaeta
(Lang, 2007). Substrat metanogen termasuk asetat, metanol, hidrogen, karbon
dioksida, format, metanol, karbon monoksida, methylamines, metil merkaptan,
dan logam berkurang. Dalam kebanyakan ekosistem non-gastrointestinal 70%
atau lebih dari metana yang terbentuk berasal dari asetat, tergantung dari jenis
organik (Broughton, 2009) dan 30% oleh mengkonsumsi hidrogen (Lu, 2006).
Hanya ada dua kelompok yang dikenal metanogen yang memecah asetat:
Methanosaeta dan Methanosarcina, sementara ada banyak kelompok yang
berbeda
dari
metanogen
yang
menggunakan
gas
hidrogen,
termasuk
Methanobacterium, Methanococcus, Methanogenium dan Methanobrevibacter.
Methanosaeta dan Methanosarcina memiliki tingkat pertumbuhan yang berbeda
dan juga berbeda mengenai kemampuan mereka untuk memanfaatkan asetat.
Methanosarcina tumbuh lebih cepat, tetapi menemukan kesulitan untuk
menggunakan asetat pada konsentrasi rendah, dibanding Methanosaeta. Namun,
kehadiran organisme ini dipengaruhi tidak hanya oleh konsentrasi asetat, tetapi
juga oleh faktor-faktor seperti beban frekuensi dan pencampuran. Karena
produsen metana umumnya tumbuh sangat lambat, hal ini sering tahap
membatasi laju dari proses biogas (Schnurer, 2009).
2.7 Parameter dalam Proses Fermentasi Anaerob
Untuk dapat mengetahui beberapa faktor yang menyebabkan keberhasilan
atau kegagalan dalam suatu reaksi fermentasi anaerob dalam pembentukan gas
metana, diperlukan pengamatan beberapa parameter untuk menganalisa faktorfaktor tersebut diantaranya adalah sebagai berikut:
2.7.1 Nilai pH
Konsentrasi ion-hidrogen merupakan kualitas parameter yang penting di
dalam limbah cair. Konsentrasi dari pH dapat diartikan sebagai eksistensi dari
kehidupan mikroba di dalam limbah cair (biasanya pH diantara 6 sampai 9).
Limbah cair mempunyai konsentrasi pH yang sulit diatur karena adanya
proses pengasaman pada limbah cair. pH mempunyai arti yang sangat penting
20
di dalam pengolahan limbah cair karena dari pH kita dapat mengetahui kondisi
mikroba yang ada di dalam limbah cair (Zahara, 2014). Tingkat pH
memberikan pengaruh terhadap aktivitas enzim di dalam mikroorganisme,
setiap enzim hanya dapat aktif pada rentang pH tertentu dan mempunyai
aktivitas maksimum pada pH optimal. Setiap kelompok mikroorganisme
mempunyai perbedaan rentang pH optimal. Methanogenic archea dapat
berfungsi dalam batas interval dari 5,5-8,5 dengan range optimal 6,5-8,0.
Bakteri fermentatif dapat berfungsi pada rentang yang luas dari 8,5 menurun
hingga pH 4 (Zahara, 2014).
Untuk mendapatkan kondisi optimum pada produksi biogas, dimana
bakteri yang berperan adalah penghasil metan, nilai pH untuk campuran umpan
di dalam digester harus diantara 6 dan 7. Setelah stabilisasi dari proses
fermentasi pada kondisi anaerobik, nilai pH akhir harus diantara 7,2 dan 8,2.
Untuk memberikan efek penyangga dari penambahan konsentrasi ammonium.
Ketika jumlah asam organik yang diproduksi besar pada permulaan
fermentasi, pH di dalam digester mungkin menurun sampai 5. Saat digester
mempunyai konsentrasi asam volatil yang tinggi, proses fermentasi metan akan
terhambat bahkan terhenti. pH yang rendah (dibawah 6, 5) akan memberikan
efek racun pada bakteri metanogenik (Zahara, 2014). Oleh karena itu, perlu
adanya penambahan natrium bikarbonat (NaHCO3) yang berfungsi untuk
menyangga pH.
2.7.2 Suhu
Suhu merupakan salah satu faktor yang menentukan keberlangsungan hidup
mikroorganisme anaerobik. Suhu tidak terlalu berpengaruh pada terjadinya proses
hidrolisis. Hal ini karena bakteri pada proses hidrolisis tidak terlalu peka terhadap
perubahan suhu (Gerardi, 2003). Suhu optimal untuk bakteri pembentuk asam
yaitu 32-42 0C (mesophilik) dan 48-55 0C (thermophilik), sedangkan bakteri
metanogenik kebanyakan hidup pada suhu mesofil dan sebagian kecil lainnya
hidup pada suhu thermophil. Selain itu, terdapat beberapa bakteri yang mampu
memproduksi metana pada suhu rendah (0,6- 1,2 0C). Bakteri metanogenik sangat
21
sensitif terhadap perubahan suhu. Bakteri metanogenik yang hidup pada suhu
thermofil lebih sensitif terhadap perubahan suhu jika dibandingkan dengan bakteri
metanogenik mesophil. Oleh karena itu, suhu harus dijaga tidak lebih dari 2 0C
(Deublein et al., 2008). Penjagaan suhu digester agar tetap konstan ini didukung
oleh pernyataan Price dan Cheremisinoff (1981) yang menyebutkan bahwa
produksi gas pada proses perombakan secara anaerobik dapat berlangsung pada
kisaran suhu 4-600C jika suhu konstan dan apabila terjadi fluktuasi suhu maka
proses akan terganggu. Selanjutnya Price dan Cheremisinoff (1981) berpendapat
bahwa, walaupun digester yang lama dari digester dengan suhu mesofil, namun
produksi gas, kualitas, dan parameter lain dari kestabilan proses dinilai
menguntungkan. Selain itu, digester dengan suhu rendah ini dapat dijadikan
altenatif pembuatan biogas di daerah beriklim tropis.
Suhu tidak hanya mempengaruhi aktivitas bakteri pembentuk metana tetapi
juga mempengaruhi aktivitas bakteri pembentuk asam volatile. Fluktuasi suhu
dapat menguntungkan salah satu kelompok bakteri, namun merugikan bakteri
kelompok lain. Contohnya, peningkatan suhu sebesar 100C dapat menghentikan
produksi metana atau aktivitas bakteri pembentuk metana selama 12 jam,
sedangkan pada kondisi yang sama terjadi peningkatan asam volatil. Perubahan
aktivitas pada bakteri pembentuk asam volatil akan berpengaruh pada jumlah
asam organik dan alkohol yang dihasilkan pada proses fermentasi. Asam organik
dan alkohol ini digunakan sebagai substrat bagi bakteri pembentuk metana,
sehingga akan mempengaruhi performa digester (Gerardi, 2003).
2.7.3 Rasio C/N
Rasio C/N memiliki peranan penting dalam proses pembentukan metana
dari bahan biomasa seperti limbah cair kelapa sawit (POME) karena
mempengaruhi langsung terhadap pertumbuhan bakteri pembentuk metana.
Dimana rasio C/N ini mengindikasikan jumlah nutrisi atau makanan yang
dibutuhkan oleh bakteri untuk aktif menguraikan substrat berupa zat organik.
Kebutuhan nutrisi sangat rendah seharusnya dari yang sebenarnya dalam proses
anaerobic tidak banyak biomasa yang dimasukkan, oleh karena itu untuk
22
pembentukan metana kebutuhan perbandingan nutrisi yaitu C:N:P:S adalah 5001000:15-20:5:3 atau rasio bahan organis adalah COD:N:P:S adalah 800:5:1:0
adalah yang terbaik (Deublein et al, 2008).
Substrat dengan rasio C/N rendah dapat menyebabkan meningkatnya
produksi amonia dan menghambat produksi metana. Dan tingginya rasio C/N
berarti rendahnya kadar nitrogen, dari hal tersebut memiliki konsenkuensi negatif
terhadap pembentukan protein, kebutuhan energi material struktural dan
mekanisme metabolisme, maka dibutuhkan keseimbangan kadar nitrogen dan
karbon untuk pertumbuhan optimum bagi mikroba pembentuk metana (Deublein
et al, 2008)
2.7.4 COD (Chemical Oxygent Demand)
Kebutuhan oksigen kimia atau chemical oxygent demand (COD)
merupakan total oksigen yan dibutuhkan untuk mengoksidasi bahan organik
secara kimiawi (Hasanah, 2011). Chemical Oxygent Demand (COD) digunakan
sebagai ukuran kuantitas bahan organik dalam keluaran limbah dan diperkirakan
berpotensi untuk produksi biogas. Oksigen ekuivalen dengan bahan organik yang
dapat dioksidasi, yang merupakan ukuran kuatnya oksidasi kimia dalam suatu
keadaan asam (Zeeman, G, 2003). Selama reaksi prombakan anaerobic bahan
organik yang mduah terdegradasi (COD) hadir sebagai bahan organik dan
dibuktikan diakhir produk, diberi nama biogas dan terbentuk masa bakteri yang
baru.
Dalam suatu komponen organik (CnHaObNd) adalah komponenlengkap
biodegradable dan semua akan terkonversi dengan bakteri anaerobic (hasil lumpur
diasumsikan nol) menjadi CH4, CO2 dan NH3 . Menurut Hasanah, 2011 fluktuasi
nilai Chemical Oxygent Demand (COD) disebabkan oleh beberapa faktor yang
menyangkut aktivitas bakteri dalam proses fermentasi pembentukan metana.
Penurunan nilai parameter COD dalam proses fermentasi anaerobic disebabkan
oleh karena terjadinya perombakan bahan- bahan organik yang dilakukan oleh
mikrooganisme yang beraktivitas dalam digester anaerob. Dan kenaikan nilai
parameter COD dalam proses fermentasi anaerob disebabkan karena adanya
23
penghambat dalam substrat yang menyebabkan terhambatnya proses perombakan
bahan organik. Biasanya penghambat ini dapat berupa adanya asam lemak yang
berlebih yang menyebabkan timbulnya asam propionat dan menyebabkan suasana
asam sehingga mikroba tidak dapat tumbuh optimum dan tidak mampu
menguraikan zat organis sehingga nilai COD cenderung naik (Deublein, et
al,2008).
2.7.5 Biological Oxygent Demand (BOD)
Beberapa parameter dalam pencemaran organik adalah Biological Oxygent
Demand (BOD). Nilai BOD ini menrupakan ukuran oksigen yang terlarut yang
digunakan oleh bakteri anaerobic di dalam oksidasi kimia biologi material organik
selama 5 hari (Zeeman, G, 2003). Menurut Lang, 2007 Limbah cair kelapa sawit
memiliki kadar BOD 25000 mg/L. Kadar BOD limbah cair kelapa sawit dapat
dilihat mempunyai nilai yang berbeda-beda tergantung dari sumber minyak sawit
dan bahan yang digunakan dalam pembuatannya. Namun, berdasarkan baku mutu
limbah cair untuk industri minyak sawit yang bersumber dari keputusan menteri
Negara lingkungan hidup nomor 51 tahun 1995, kadar maksimum BOD limbah
cair kelapa sawit berkisar 250 mg/l. Sehingga limbah cair harus dilakukan
pengolahan agar tidak mengakibatkan pencemaran lingkungan
2.8 Keuntungan dan Kerugian Proses Anaerobic
Keuntungan proses anaerobic dalam pengolahan bahan organik adalah
sebagai berikut (Zeeman, G, 2003) :
a. Ketersediaaan sumber energi melalui recoveri metana.
b. Proses anaerobic umumnya mengkonsumsi sedikit energi. Pada temperatur
ambien kebutuhan energi diantara 0,05 – 0,1 kWh/m3 ( 0,18 -0,36 MJ/ m3),
tergantung dari kebutuhan untuk pemompaan dan recycle limbah.
c. Reduksi padatan dapat ditangani, kelebihan produksi lumpur di dasar
biodegradable COD di dalam pengoalahan anaerobic lebih signifikan rendah
dibandingkan proses aerobic.
d. Fasilitas pengeringan lumpur
24
e. Limbah lebih stabil.
f. Bebas aroma pada akhir produk.
g. Berpotensi sebagai limbah untuk pembuatan pupuk karena memiliki komponen
pupuk yaitu nitrogen (N), phospat (P) dan Pottasium (K).
h. Proses anaerobic yang modern dapat ditangai dengan cepat, menurunkan nilai
COD 30 g/L/ hari sampai 50 g/L/hari untuk kekuatan medium terutama limbah
cair.
i. Lumpur anaerobic dapat dipelihara untuk perpanjangan waktu tanpa bahan
masukan.
j. Biaya konstruksi lebih rendah.
k. Luasan wilayah pengolahan dengan menggunakan metode pengoalahan
anaerobic lebih rendah daripada pengolahan sistem konvensional.
Selama pengolahan anaerobic komponen yang dapat terdegradasi bergerak dengan
efektif, meninggalkan komponen yang tereduksi di dalam limbah, seperti
ammonium, komponen organik, sulfur organik, komponen P dan patogen.
Kerugian dari pengolahan anaerobic adalah sebagai berikut (Zeeman, G,
2003):
a. Sensitivitas yang tinggi dari bakteri metanogen terhadap bahan organik.
b. Instalasi awal pengolahan secara anaerobic tanpa proses aklimatisasi anaerob
memakan waktu yang lama karena pertumbuhan bakteri anaerob sangat
lambat.
c. Saat pengolahan limbah (air) yang mengandung komponen sulfur, pada
pengolahan anaerobic dapat membentuk bau dan sulfida.
25